对连续刚构桥主梁气动特性数值分析

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1、第28卷第3期土木工程与管理学报V01．28No．32011年9月JournalofCivilEngineeringandManagementSep．2011连续刚构桥主梁气动特性数值分析李素杰，彭元诚，龙晓鸿，曹化锦(1．华中科技大学a．土木工程与力学学院；b．控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉430074；2．中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘要：基于流体动力学软件，采用二维圆柱绕流的计算方法，对连续刚构主梁截面进行了仿真分析。首先进行了网格划分方案的比选，将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比，进而验证了本文模型以及计算方法

2、的正确性。然后研究了不同风向角作用下，双幅桥上下游梁截面的气动特性，并与单幅桥梁截面气动特性进行对比，得到了双幅桥梁截面气动系数干扰因子，对于研究双幅桥梁截面的气动特性具有重要的意义。关键词：连续刚构；数值模拟；风动试验；气动干扰中图分类号：U441．3文献标识码：A文章编号：2095-0985【2011)03-0t56-O4由于自然风特性的复杂性，到目前为止还不面进行绕流分析。北盘江大桥为双幅桥，其中主能用数学解析方法精确描述风对桥梁的作用，只跨跨径为290m，这部分为预应力混凝土空腹(斜能制作一定缩比尺的阶段模型，通过风动试验测腿)式连续刚构，如图1

3、所示。主箱梁截面如图2定三分力系数来描述风对桥梁的静力作用HJ。所示，图中为风攻角，日为主粱高。本文首先进然而风动试验周期较长，且需要耗费大量的人力行了网格的比选分析，与风洞试验结果进行比较，和物力。随着计算机技术的发展，计算机流体力选取最佳计算网格，并验证了计算模型与求解模学(CFD)在结构风工程中已经得到广泛的应式的可靠性。同时研究了不同风攻角下，上下游用。本文以北盘江连续大跨斜腿刚构桥为工主梁截面三升力系数的气动干扰效应。程背景，利用流体力学软件FLUENT对箱型梁截图1主桥桥型布置／cm25卜200—卜．-——一650————斗200--~卜20

4、0—}_———一650—————-}一200-'-[图2控制主箱梁断面／cm收稿日期：2011-06·15作者简介：李素杰(1987一)，女，河南人，硕士研究生，研究方向为桥梁风振和建筑隔振(Email：lisujie0604@126．tom)基金项目：中央高校基本科研业务费专项资(01QN81)；贵州省交通厅科技项目资助第3期李素杰等：连续刚构桥主梁气动特性数值分析·157·1基本方程和计算方法2网格方案比选及可行性验证1．1基本方程为验证本文数值模拟结果的正确性，对迎风粘性流体动力学必须遵循的三个基本守恒定侧上游箱梁截面在0度风攻角下的不同网格划分律

5、，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定进行了静三分力系数CFD数值模拟。采用结构律。当流动处于湍流状态，还要遵循附加湍流运化网格，在截面周围区域进行网格加密，且网格间输方程质量。距是渐变的。近壁面最小网格尺寸可用式(2)。。根据守恒定律，可得其控制方程为：估算第一层网格的高度Ay满足Y1的要求。2_+：0f1空气密度P取1．25kg／m，运动粘性系数／2取++aaayaz1．78×10m／s，风速V=10m／s。式中：P是密度，t是时间，“，，W分别是速度矢量)，=()．172e(2)在，Y，方向上的分量。1．2计算模型与边界条件网格划分的质量好坏严

6、重影响到模拟结果的在进行数值模拟时，其关键步骤就是定义一精度和计算效率，对于图2中为465am，为0个比较合理的计算域，这样才能保证计算结果的度的单截面，本文提出了不同的平面网格划分方精确性。计算域太小不能保证计算精度，而计算案，并且对不同方案的仿真计算结果与风洞试验域如果太大就可能会给计算机增加一定负担，造进行了对比，网格划分方案如图4所示。成资源浪费。学者们从数值模拟的经验来看：当外计算域大于模型的特征尺寸l0～20倍时，能尽量避免物体因后部卷起的分离涡打到外部边界上又反射回来，同时也使外边界附近的流场参数分布较好地与所提取的边界相容，求解可以达到很

7、好的收敛性。(a)网格划分方案1模型采用1／50的比例缩尺对本文箱型截面进行了二维建模分析。计算域取为16B×24B的长方形，计算域入口到梁断面中心的距离为8B，出口到截面中心得距离为16B，上下边界距截面中心各为8B，B为箱梁截面宽度，如图3所示。计算采用的边界条件J：入口为速度边界条件(=10m／s，=0m／s)；出El为压力边界条件(b)网格划分方案2(参考压力为零)；上下面采用对称边界条件；梁断面结构表面采用无滑移壁面条件。(c)网格划分方案3图3迎肛【侧上游箱梁断面长方形计算域定义好计算域后，最重要的步骤就是建立计算模型。建立模型的方法多种多样

8、，本文是通过在ANSYS11．0中建立平面模型，并对其进行网(d)网格划分方案4